Диэлектрические потери. 
Основы механики

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдается как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига ц между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь д будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига ц и тем больше угол д и его функция tg д Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия, и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания.

При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кривыми. представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения.

Рисунок 4 Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б).

При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения (рис. а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.6), Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

Для нелинейного диэлектрика — сегнетоэлектрика — кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса, характерной для магнитных материалов и в этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.

При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось выше, значениями объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Контрольные вопросы

• 1. Электропроводность диэлектрика.
• 2. Основные понятия.
• 3. Диэлектрические потери.

Конспект лекции № 3.

Пробой диэлектриков. Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев Диэлектрик, находясь в электрическом поле, при превышении напряжения некоторого критического значения, теряет свойства электроизоляционного материала. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушение его электрической прочности. Соответствующее значение напряжения (критического) называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.

(1.8).

где h — толщина диэлектрика.

Пробой газа обусловлен явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Тепловой пробой возникает из-за уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле вплоть до его термического разрушения. Электрический пробой связан с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле.

Пробой газов явление электрическое. Все численные результаты экспериментов относятся к амплитудным значениям напряжений. Тепловые процессы разрушают жидкие и твердые диэлектрики и численные значения Uпр относятся к действующим. Внешней изоляцией во многих видах электротехнической конструкции служит воздух. Электрическая прочность воздуха мала. Жидкие диэлектрики имеют более высокую, чем у газов, электрическую прочность в нормальных условиях.

Различают 4 вида пробоев твердых диэлектриков:

• 1. Электрический пробой однородных макроскопических диэлектриков (вид пробоя характеризуется быстрым развитием за время меньше 10−7 — 10−8 сек., не обусловлены тепловой энергией, хотя электрическая прочность зависит от температуры).
• 2. Электрический пробой неоднородных диэлектриков (тоже быстро развивается, характерен для технических диэлектриков, содержащие газовые включения).
• 3. Тепловой пробой (нарушается тепловое равновесие, когда количество теплоты, выделяемое за счет диэлектрических потерь, больше количества теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, приводит к расплавлению и обугливанию).
• 4. Электрохимический пробой (возникает при электрохимическом старении: имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха, наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале происходит процесс старения диэлектрика). Это приводит к пробою при напряженности значительно ниже пробивной напряженности. Этот вид пробоя требует для развития длительное время.